WO2012116887A1 - Verfahren zur herstellung von lichtauskoppelstrukturen in einem halbleiterkörper und licht emittierender halbleiterkörper - Google Patents

Verfahren zur herstellung von lichtauskoppelstrukturen in einem halbleiterkörper und licht emittierender halbleiterkörper Download PDF

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WO2012116887A1
WO2012116887A1 PCT/EP2012/052314 EP2012052314W WO2012116887A1 WO 2012116887 A1 WO2012116887 A1 WO 2012116887A1 EP 2012052314 W EP2012052314 W EP 2012052314W WO 2012116887 A1 WO2012116887 A1 WO 2012116887A1
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WO
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semiconductor body
mask layer
structural units
lichtauskoppelstrukturen
light
Prior art date
Application number
PCT/EP2012/052314
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English (en)
French (fr)
Inventor
Lorenzo Zini
Andreas Weimar
Patrick Rode
Original Assignee
Osram Opto Semiconductors Gmbh
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Publication date
Application filed by Osram Opto Semiconductors Gmbh filed Critical Osram Opto Semiconductors Gmbh
Publication of WO2012116887A1 publication Critical patent/WO2012116887A1/de

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
    • H01L33/20—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a particular shape, e.g. curved or truncated substrate

Definitions

  • the invention relates to a method for producing light coupling-out structures in a semiconductor body and to a light-emitting semiconductor body.
  • a method for roughening a surface of a body is known, for example, from document WO 2004/061980 A1
  • the light extraction structures are transformed into a semiconductor layer of the
  • a semiconductor body which contains an active zone suitable for generating light.
  • the semiconductor body contains an n-conducting layer and a p-conducting layer, between which the active zone is arranged.
  • the active zone contains in particular a pn junction, a double heterostructure or a quantum well structure for Light production. Under “light” is in the present
  • Revelation in particular electromagnetic radiation in the infrared spectral range for example between 1500 nm and 780 nm, in the visible spectral range, in particular between 780 nm and 380 nm, and / or in the ultraviolet
  • Spectral range for example, between 380 nm and 200 nm, understood. The limits of the spectral ranges are included.
  • the semiconductor body is, for example, a light-emitting diode chip.
  • a light-emitting diode chip For example, it can be used in the
  • Liquid crystal display devices and / or for
  • Vehicle lights such as headlights be provided.
  • Mask layer produced on a surface of the semiconductor body is formed on a main surface of the semiconductor body used for
  • Example is a light output surface.
  • the surface normal of the main surface is at least substantially parallel to the direction in which the n-type
  • Mask layer made on a side facing away from the active zone surface of the n-type layer.
  • the mask layer is produced in such a way that it has a plurality of structural units whose position and size can be reproducibly adjusted and set in a targeted manner.
  • the mask layer leaves free a first partial area of the surface or main surface of the semiconductor body, on which the masking layer is applied, and covers a second partial area of the surface of the semiconductor body, the contours of the structural units corresponding to those of FIG.
  • a particularly well-controlled size and position of the light extraction structures is achieved by means of the specifically set position and size of the structural units.
  • the locations and the sizes of the light extraction structures are determined in particular by the mask layer.
  • the risk that preceding process steps influence the size or position of the light extraction structures is particularly low.
  • Structural units arranged regularly.
  • the structural units are arranged periodically.
  • Structural units are z. B. arranged at the grid points of an imaginary grid on the surface of the semiconductor body.
  • the grid is for example a hexagonal grid, a rectangular grid or a square one
  • Structural units of the mask layer have the same lateral dimensions.
  • the mask layer has first structural units and second
  • Structural units For example, all have first
  • Structural units have the same lateral dimensions and all second structural units have the same lateral dimensions with each other, the lateral dimensions of the second structural units of those of the first
  • Structural units are different.
  • first and second structural units are arranged, for example, in each case regularly on the surface of the semiconductor body.
  • first and second structural units alternate in at least one direction.
  • the mask layer comprises a plurality of islands as structural units which form the first subregion of the surface of the
  • the first portion of the surface of the semiconductor body uncovered by the mask layer is or has, for example
  • Semiconductor body for example, truncated pyramidal
  • Pyramidal stumps increase in the course of the islands towards the active zone. For example, the
  • Semiconductor body which taper in the direction away from the active zone.
  • the islands can be removed from the top surfaces of the truncated pyramids after etching of the semiconductor body or remain on this.
  • the mask layer has, as an alternative or in addition to the islands, a plurality of openings as structural units.
  • the semiconductor body is uncovered in the region of the openings of the mask layer.
  • the openings are preferably laterally spaced from each other.
  • the second portion of the mask layer covering the surface of the semiconductor body has or is one
  • the recesses are, for example, pyramidal and taper towards the active zone.
  • the mask layer is applied over the entire surface and subsequently removed in places to form the structural units.
  • the removal of the mask layer in places takes place, for example, by means of a dry-chemical etching process such as reactive
  • the mask layer may be patterned from the beginning, for example by passing the material of the mask layer through a second mask onto the mask
  • the openings of the second mask lay in this case, in particular the lateral
  • the material of the mask layer is in particular adapted to the etching medium used in the etching process in such a way that it does not or only slightly during the etching of the semiconductor body
  • the mask layer covered second portion of the surface of the semiconductor body during the etching protected by the mask layer from the etching medium.
  • the mask layer comprises a metal
  • Silicon nitride such as S 1 3 N 4 , S 1O 2 (silicon dioxide) and / or Al 2 O 3 or consists of at least one of these materials.
  • phosphoric acid H 3 PO 4
  • S1O 2 is preferably used as the material for the mask layer.
  • potassium hydroxide (KOH) can be used for the wet-chemical etching of the semiconductor body.
  • silicon nitride is preferably used as the material for the mask layer.
  • the semiconductor material is anistropically etched by phosphoric acid or potassium hydroxide solution.
  • Lichtauskoppel Conceptuents, which have the shape of truncated pyramids or pyramids.
  • the pyramids or truncated pyramids have twelve facets when phosphoric acid is used as the etching medium.
  • potassium hydroxide solution is used as the etching medium, it has six facets. It is the
  • Etch rate of the facets in particular less than in other crystal directions.
  • the etch rate decreases when an etch depth is reached at which the facets of two adjacent pyramids
  • the undercut at the edges of the structural units with advantage particularly low.
  • the pyramid height can be controlled by the arrangement of the hard masks and adjusted reproducibly.
  • the etch depth, at which the facets of adjacent pyramids meet, can be adjusted in this way by the distance of the structural units to each other. It also depends on the angle of inclination of the facets, which is determined by the crystallographic orientation of the semiconductor material. The crystallographic orientation can be during the epitaxial growth of the semiconductor body
  • the etching of the semiconductor body is performed such that the etching depth during etching of the semiconductor body is 200 nm.
  • the etching depth is ⁇ 600 nm, preferably ⁇ 1 ⁇ , in particular> 1.5 ⁇ , is.
  • the etch depth is ⁇ 4 ⁇ ,
  • the lateral dimensions of the structural units can be set, for example, to a value between 100 nm and 10 ⁇ m, the limits being included.
  • the lateral dimensions of the structural units are preferably set to a value of> 500 nm, in particular of> 600 nm and particularly preferably of> 1.5 ⁇ m. In one embodiment, lateral dimensions of ⁇ 4 ⁇ ,
  • the lateral distance between the structural units is, for example, to a value between 100 nm and 10 ⁇ , preferably between 500 nm and 5 ⁇ set, the limits are included.
  • the lateral dimension is in particular the diameter of the smallest circle, which in plan view to that of the
  • Structural unit this is the diameter of the structural unit itself.
  • the lateral spacing of the structural units is especially between the geometric centers of the
  • Structural units measured.
  • the lateral distance can be different in different directions, for
  • the structural units are arranged at the grid points of an imaginary rectangular grid, or it may be for those adjacent in different directions
  • Structural units be the same, such as when the
  • Structural units are arranged at the grid points of an imaginary regular hexagonal grid or a square grid.
  • the application of the mask layer in this case preferably takes place on that surface of the semiconductor body which is exposed upon detachment of the growth substrate.
  • the surface of the semiconductor body exposed upon detachment of the growth substrate is, for example, the surface of the n-conductive layer of the semiconductor body facing away from the active zone
  • the light-emitting semiconductor body has a for Light generation planned active zone.
  • the active zone is arranged between an n-type layer and a p-type layer.
  • the active region includes a pn junction, a double heterostructure, or a quantum well structure for light generation.
  • the semiconductor body has a plurality of
  • Lichtauskoppel Concepten on one of its surfaces, in particular on one of its major surfaces such as the surface facing away from the active zone surface of the n-type layer or the surface facing away from the active zone surface of the p-type layer.
  • the light extraction structures are produced for example by the method described above.
  • the light extraction structures each have the shape of a pyramid or a truncated pyramid.
  • the light extraction structures each have six facets or twelve facets each.
  • the facets are the sides of the pyramid or the truncated pyramid and connect the base with the top of the pyramid or the top surface of the truncated pyramid.
  • Light extraction structures have the same height and the same footprint. In one direction adjacent
  • Light extraction structures each have the same lateral distance from each other, in particular measured between the geometric centers of the Lichtauskoppel devisen.
  • the lateral distance of a respective light extraction structure to all directly adjacent light extraction structures is the same.
  • Base area of the light extraction structures for example, each ⁇ 200 nm.
  • the extent of the base surface of the light extraction structures for example, the diameter of the smallest circle, which the
  • Base area completely contains.
  • the light extraction structures are pyramidal or
  • the semiconductor body has a first plurality of such light extraction structures and a second plurality of such light extraction structures.
  • the height and the extent of the base area of the light extraction structures of the first plurality of light extraction structures are
  • the Lichtauskoppel devisen al pyramid or truncated pyramidal projections of
  • the light extraction structures for example, as
  • Pyramid or truncated pyramidal depressions may be formed in the surface.
  • Figure 1A is a schematic cross section through a
  • Figure 1B is a schematic cross section through the
  • Figure 2A shows a schematic cross section through the
  • Figure 2C is a schematic cross-section through the
  • FIG. 3 shows a schematic cross section through the light-emitting semiconductor body in a sixth stage of the method according to the first exemplary embodiment
  • FIG. 4 shows a schematic cross section through a light-emitting semiconductor body at a stage of a method for the production of
  • FIG. 5 shows a schematic plan view of a section of a surface of the semiconductor body according to FIG. 2C
  • FIG. 6 shows a schematic plan view of a part of a surface of a semiconductor body in a case of FIG. 5
  • FIG. 7 shows a schematic perspective view of the method produced by the method according to the third exemplary embodiment
  • Figure 8A is a schematic plan view of a
  • Figure 8B is a schematic plan view of a
  • Figure 8C is a schematic plan view of a
  • FIGS. 1A to 3 show a method for producing light extraction structures 115 in a semiconductor body 1 in schematic cross sections through the semiconductor body 1 at various stages of the method.
  • FIG. 1A shows the semiconductor body 1 in a schematic cross-section at a first stage of the method. At this stage, the semiconductor body 1 with a
  • the semiconductor body has a plurality of semiconductor layers 110, 120, 130 which epitaxially deposit on the growth substrate 2
  • the semiconductor layers 110, 120, 130 are, in particular, an n-type layer 110, an active zone 120 and a p-type layer 130.
  • the active zone 120 is advantageously between the n-type layer 110 and the p-type Layer 130 is arranged. She points
  • the n-type layer 110 is the
  • Semiconductor body 1 deposited.
  • the semiconductor body 1 is based for example on the
  • the growth substrate is
  • a sapphire or silicon substrate for example, a sapphire or silicon substrate.
  • FIG. 1B shows a schematic cross section through the semiconductor body 1 at a second stage of the method which follows the first stage. At this stage, the growth substrate 2 is detached from and removed from the semiconductor body 1.
  • the removal of the growth substrate 2 takes place, for example, by means of a laser lift-off method (LLO method, laser detachment method).
  • LLO method laser lift-off method
  • a laser lift-off procedure is particularly useful when the growth substrate 2 is a sapphire substrate.
  • Laser lift-off methods are known in principle to the person skilled in the art and are therefore not explained in detail here.
  • the growth substrate 2 by means of a
  • a wet chemical method of substrate removal is well suited, for example, to a silicon substrate.
  • a main surface 111 of the semiconductor body 1 is exposed.
  • the main surface 111 is a surface of the n-type layer 110.
  • the surface 111 is in particular on the side of the n-type layer opposite the active zone 120
  • the semiconductor body 1 may be in this or in others
  • Embodiments to be provided by the active zone 120 generated light from the main surface 111 to
  • the surface 111 represents a light output surface of the semiconductor body 1.
  • Figure 2A shows a schematic cross section through the semiconductor body 1 at a third stage of the method according to the first embodiment, which follows the second stage.
  • a mask layer 3 is applied to the exposed surface 111 of the n-type layer 110.
  • the mask layer 3 is first applied over the whole area to the surface 111 of the semiconductor body 1.
  • the mask layer comprises, for example, a silicon nitride such as Si 3 N 4 or consists thereof.
  • FIG. 2B shows a schematic cross section through the semiconductor body 1 in a subsequent fourth stage of the method according to the first exemplary embodiment. In the fourth stage, the fully applied
  • the mask layer 3 in places with a
  • the protective layer 4 is, for example, a photoresist layer.
  • Photoresist layer 4 is, for example, first of all on the side facing away from the semiconductor body 1 of the
  • Mask layer 3 applied and then by exposure through a mask and developing in places again from the
  • Mask layer 3 removed. In this way, individual portions 30 of the mask layer remain covered by the protective layer 4 and other portions of the mask layer 3 are exposed again.
  • RIE reactive ion etching
  • Protective layer 4 protects the subregions 30 covered by it from the ions, so that these subregions are not removed. In this way, a first portion 1111 of the surface 111 is formed, which is uncovered by the mask layer 3, while a second portion 1112 of the
  • FIG. 2C shows a schematic cross section through the semiconductor body in a subsequent, fifth stage of the method according to the first exemplary embodiment.
  • the protective layer 4 is again from removed from the semiconductor body.
  • the partial regions 30 of the mask layer 3 covered by the protective layer 4 during the reactive ion etching remain on the surface 111 of the semiconductor body 1. These partial regions form individual structural units 30 of the mask layer 3.
  • the height h M of the structural units 30 is, for example, 300 to 400 nm. This corresponds in particular to the thickness of the mask layer 3 applied over the full area in the third stage (see FIG. 2A).
  • Structural units 30 is by means of fototechnisch
  • the structural units 30 are arranged at regular intervals.
  • the lateral extent d of the structural units 30 is set, for example, to a value between 100 nm and 10 ⁇ m, in particular between 300 nm and 3 ⁇ m, the boundaries being included in each case.
  • the lateral spacing a of adjacent structural units is set, for example, to values between 100 nm and 10 ⁇ m, in particular between 600 nm and 5 ⁇ m.
  • FIG. 5 shows a schematic plan view of the surface 111 of the semiconductor body 1 in the fifth embodiment
  • Structural units 30 can be seen.
  • the structural units 30 are arranged at the grid points of an imaginary hexagonal grid on the surface 111.
  • the individual structural units 30 represent a plurality of laterally spaced apart islands 30, which cover the surface 111 in places.
  • the contours of the islands 30 define the uncovered from the mask layer 3 portion 1111 of the surface 111.
  • the etching process is conveniently stopped before the active zone 120 is exposed.
  • the etching process is carried out, for example, with potassium hydroxide (KOH).
  • KOH potassium hydroxide
  • AlInGaN semiconductor material of n-type layer 110 anisotropic, with certain crystallographic planes
  • Figure 3 shows a schematic cross section through the
  • Semiconductor body 1 at a sixth stage of the method according to the first embodiment. At this stage, the wet-chemical etching process is completed.
  • FIG. 8A shows one of the light extraction structures 115 in a schematic plan view.
  • the respective structural units 30 of the mask layer 3 can in the finished semiconductor body on the
  • Top surfaces of the truncated pyramids 115 remain as in 3, or removed from the light extraction structures 115.
  • the truncated pyramids 115 each have six inclined facets 1151 so that the pyramid tapers away from the active zone 120. In the present embodiment, the touch
  • the height of the light extraction structures 115 corresponds
  • etch depth h L is for example
  • the lateral extent L of the light extraction structures 115 is, for example
  • the lateral extent L is in particular ⁇ 5 ⁇ , preferably ⁇ 4 ⁇ and for example ⁇ 3 ⁇ .
  • Mask layer 3 and is for example between 600 nm and 4 ⁇ , the limits are included.
  • FIG. 8B shows a light extraction structure 115 in accordance with a variant of the first exemplary embodiment
  • a method for producing light extraction structures 115 in a semiconductor body 1 is for etching the Semiconductor Body 1 phosphoric acid (H 3 PO 4 ) instead of
  • the mask layer 3 consists, for example, of silicon dioxide (S1O 2 ) ⁇
  • FIG. 4 shows a stage of a method for producing light extraction structures 115 in a semiconductor body 1 according to a second exemplary embodiment in a schematic cross section through the semiconductor body 1.
  • the mask layer 3 is not applied over the entire surface and then patterned, as explained in connection with Figures 2A, 2B and 2C. Instead, the structural units 30 of the mask layer 3 are produced simultaneously with the application of the material of the mask layer 3 to the semiconductor body 1.
  • the mask layer 3 is produced by applying the material of the mask layer 3 through a second mask 6 to the semiconductor body.
  • Openings 60 of the second mask 6 thereby predetermine the contours of the structural units 30. For example, through the second mask 6 through a metal by means of a
  • Vapor deposition process indicated in Figure 4 by the arrows 7, applied to the surface 111 of the semiconductor body 1.
  • FIG. 6 shows a schematic plan view of part of the surface 111 of a semiconductor body 1 at a stage of a method for producing light extraction structures according to a third exemplary embodiment.
  • the mask layer 3 is first applied over the entire surface of the surface 111 of the semiconductor body 1. However, instead of islands are in the mask layer 3
  • the material of the mask layer 3 covers one in contrast to the first embodiment
  • the surface 111 is uncovered by the mask layer 3.
  • Figure 7 shows a schematic perspective view of one with the method according to the third exemplary
  • the semiconductor body 1 has a plurality of
  • Lichtauskoppel Concepten 115 which are formed as pyramidal depressions in the side facing away from the active zone 120 surface 111 of the n-type layer 110.
  • the light extraction structures 115 represent openings in the surface 111 of the n-type layer 110, which extend in the direction away from the active zone 120.
  • FIG. 8C shows a schematic plan view of one of these light extraction structures 115.
  • the pyramid formed by the light extraction structure 115 has a hexagonal base surface and has six facets 1151.
  • a pyramidal shape having a dodecagonal base area and twelve facets 1151 may also be formed.

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Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung von Lichtauskoppelstrukturen (115) in einem Halbleiterkörper (1) angegeben. Bei einem Verfahrensschritt wird der Halbleiterkörper (1) bereitgestellt, der eine zur Lichterzeugung geeignete aktive Zone (120) enthält. Auf einer Oberfläche (111) des Halbleiterkörpers (1) wird eine Maskenschicht (3) hergestellt. Die Maskenschicht (3) weist eine Mehrzahl von Struktureinheiten (30) auf, deren Position und Größe reproduzierbar einstellbar und gezielt eingestellt ist. Die Konturen der Struktureinheiten (30) legen einen von der Maskenschicht (3) unbedeckten Teilbereich (1111) der Oberfläche (111) fest. In einem weiteren Verfahrensschritt wird der Halbleiterkörper (1) an dem von der Maskenschicht (3) unbedeckten Teilbereich (1111) der Oberfläche (111) zur Ausbildung der Lichtauskoppelstrukturen (115) geätzt. Zudem wird ein Licht emittierender Halbleiterkörper (1) angegeben.

Description

Beschreibung
Verfahren zur Herstellung von Lichtauskoppelstrukturen in einem Halbleiterkörper und Licht emittierender
Halbleiterkörper
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Lichtauskoppelstrukturen in einem Halbleiterkörper sowie einen Licht emittierenden Halbleiterkörper.
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 102011012608.2, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Ein Verfahren zum Aufrauen einer Oberfläche eines Körpers ist beispielsweise aus der Druckschrift WO 2004/061980 AI
bekannt .
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, ein
verbessertes Verfahren zur Herstellung von
Lichtauskoppelstrukturen in einem Halbleiterkörper anzugeben. Es wird ein Verfahren zur Herstellung von
Lichtauskoppelstrukturen in einem Halbleiterkörper angegeben. Bei dem Verfahren wird der Halbleiterkörper mit den
Lichtauskoppelstrukturen versehen. Insbesondere werden die Lichtauskoppelstrukturen in eine Halbleiterschicht des
Halbleiterkörpers eingebracht.
Gemäß einem Schritt des Verfahrens wird ein Halbleiterkörper bereitgestellt, der eine zur Lichterzeugung geeignete aktive Zone enthält. Beispielsweise enthält der Halbleiterkörper eine n-leitende Schicht und eine p-leitende Schicht, zwischen denen die aktive Zone angeordnet ist.
Die aktive Zone enthält insbesondere einen pn-Übergang, eine Doppelheterostruktur oder eine Quantentopfstruktur zur Lichterzeugung. Unter "Licht" wird in der vorliegenden
Offenbarung insbesondere elektromagnetische Strahlung im infraroten Spektralbereich, zum Beispiel zwischen 1500 nm und 780 nm, im sichtbaren Spektralbereich, insbesondere zwischen 780 nm und 380 nm, und/oder im ultravioletten
Spektralbereich, beispielsweise zwischen 380 nm und 200 nm, verstanden. Die Grenzen der Spektralbereiche sind dabei jeweils eingeschlossen.
Der Halbleiterkörper ist beispielsweise ein Leuchtdiodenchip. Er kann zum Beispiel zur Verwendung in der
Allgemeinbeleuchtung, für Anzeigevorrichtungen wie
Flüssigkristallanzeigevorrichtungen, und/oder für
Fahrzeugleuchten wie etwa Scheinwerfer vorgesehen sein.
Gemäß einem weiteren Schritt des Verfahrens wird eine
Maskenschicht auf einer Oberfläche des Halbleiterkörpers hergestellt. Vorzugsweise wird die Maskenschicht auf einer Hauptfläche des Halbleiterkörpers hergestellt, die zum
Beispiel eine Lichtauskoppelfläche ist. Beispielsweise ist die Flächennormale der Hauptfläche zumindest im Wesentlichen parallel zu derjenigen Richtung, in der die n-leitenden
Schicht, die aktive Zone und die p-leitende Schicht
aufeinander gestapelt sind. Beispielsweise wird die
Maskenschicht auf einer von der aktiven Zone abgewandten Fläche der n-leitenden Schicht hergestellt.
Das Herstellen der Maskenschicht erfolgt derart, dass sie eine Mehrzahl von Struktureinheiten aufweist, deren Position und Größe reproduzierbar einstellbar und gezielt eingestellt ist. Die Maskenschicht lässt einen ersten Teilbereich der Oberfläche bzw. Hauptfläche des Halbleiterkörpers, auf der die Maskenschicht aufgebracht ist, frei und bedeckt einen zweiten Teilbereich der Oberfläche des Halbleiterkörpers, wobei die Konturen der Struktureinheiten den von der
Maskenschicht unbedeckten zweiten Teilbereich der Oberfläche festlegen . Gemäß einem weiteren Verfahrensschritt wird der
Halbleiterkörper an dem von der Maskenschicht unbedeckten ersten Teilbereich der Oberfläche zur Ausbildung der
Lichtauskoppelstrukturen geätzt. Das Ätzen erfolgt
insbesondere durch die Maskenschicht hindurch.
Vorteilhafterweise wird mittels der gezielt eingestellten Position und Größe der Struktureinheiten eine besonders gut kontrollierte Größe und Position der Lichtauskoppelstrukturen erzielt. Die Orte und die Größen der Lichtauskoppelstrukturen werden insbesondere durch die Maskenschicht festgelegt.
Bei dem Verfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung ist die Gefahr, dass vorangehende Prozessschritte die Größe oder Position der Lichtauskoppelstrukturen beeinflussen, besonders gering. So kann beispielsweise eine gleichmäßige
Strukturierung mit Lichtauskoppelstrukturen erzielt werden.
Bei einer Ausgestaltung des Verfahrens sind die
Struktureinheiten regelmäßig angeordnet. Beispielsweise sind die Struktureinheiten periodisch angeordnet. Die
Struktureinheiten sind z. B. an den Gitterpunkten eines gedachten Gitters auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers angeordnet. Das Gitter ist beispielsweise ein hexagonales Gitter, ein rechteckiges Gitter oder ein quadratisches
Gitter .
Bei einer Ausgestaltung des Verfahrens haben alle
Struktureinheiten der Maskenschicht die gleichen lateralen Abmessungen. Bei einer alternativen Ausgestaltung weist die Maskenschicht erste Struktureinheiten und zweite
Struktureinheiten auf. Beispielsweise haben alle ersten
Struktureinheiten die gleichen lateralen Abmessungen und alle zweiten Struktureinheiten haben untereinander die gleichen lateralen Abmessungen, wobei die lateralen Abmessungen der zweiten Struktureinheiten von denen der ersten
Struktureinheiten verschieden sind.
Die ersten und zweiten Struktureinheiten sind beispielsweise jeweils regelmäßig auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers angeordnet. Beispielsweise wechseln sich erste und zweite Struktureinheiten in mindestens einer Richtung ab.
Bei einer Ausgestaltung des Verfahrens weist die
Maskenschicht eine Mehrzahl von Inseln als Struktureinheiten auf, welche den ersten Teilbereich der Oberfläche des
Halbleiterkörpers bedecken. Die einzelnen Inseln sind
insbesondere voneinander lateral beabstandet. Sie stellen zum Beispiel separate Teilstücke der Maskenschicht dar. Der von der Maskenschicht unbedeckte erste Teilbereich der Oberfläche des Halbleiterkörpers ist oder hat beispielsweise ein
zusammenhängendes Gebiet, welches die voneinander
beabstandeten Inseln lateral umschließt.
Bei dieser Ausgestaltung werden beim Ätzen des
Halbleiterkörpers beispielsweise pyramidenstumpfförmige
Lichtauskoppelstrukturen hergestellt. Die Deckflächen der Pyramidenstümpfe grenzen dabei insbesondere an die Inseln der Maskenschicht an und die Querschnittsfläche der
Pyramidenstümpfe nimmt im Verlauf von den Inseln in Richtung zu der aktiven Zone hin zu. Beispielsweise stellen die
Lichtauskoppelstrukturen Vorsprünge der Oberfläche des
Halbleiterkörpers dar, die sich in Richtung von der aktiven Zone hinweg verjüngen. Die Inseln können nach dem Ätzen des Halbleiterkörpers von den Deckflächen der Pyramidenstümpfe entfernt werden oder auf diesen verbleiben.
Bei einer anderen Ausgestaltung des Verfahrens weist die Maskenschicht alternativ oder zusätzlich zu den Inseln eine Mehrzahl von Öffnungen als Struktureinheiten auf. Die
Oberfläche des Halbleiterkörpers ist im Bereich der Öffnungen von der Maskenschicht unbedeckt. Die Öffnungen sind vorzugsweise voneinander lateral beabstandet. Vorzugsweise hat oder ist der zweite Teilbereich der Maskenschicht, der die Oberfläche des Halbleiterkörpers bedeckt, einen
zusammenhängenden Teilbereich, der die Öffnungen umschließt.
Beispielsweise werden auf diese Weise
Lichtauskoppelstrukturen erzielt, welche Vertiefungen in der Oberfläche des Halbleiterkörpers bilden. Die Vertiefungen sind beispielsweise pyramidenförmig und verjüngen sich in Richtung zu der aktiven Zone hin.
Bei einer Ausgestaltung des Verfahrens wird die Maskenschicht vollflächig aufgebracht und nachfolgend zur Ausbildung der Struktureinheiten stellenweise entfernt. Das stellenweise Entfernen der Maskenschicht erfolgt beispielsweise mittels eines trockenchemischen Ätzprozesses wie reaktivem
Ionenätzen .
Alternativ kann die Maskenschicht von Anfang an strukturiert aufgebracht werden, beispielsweise indem das Material der Maskenschicht durch eine zweite Maske hindurch auf den
Halbleiterkörper aufgebracht wird. Die Öffnungen der zweiten Maske legen in diesem Fall insbesondere die laterale
Ausdehnung der Struktureinheiten der Maskenschicht fest.
Bei einer Ausgestaltung erfolgt das Ätzen des
Halbleiterkörpers mittels einem nasschemischen Ätzverfahrens. Das Material der Maskenschicht ist insbesondere derart an das bei dem Ätzverfahren verwendete Ätzmedium angepasst, dass es beim Ätzen des Halbleiterkörpers nicht oder nur wenig
angegriffen wird. Auf diese Weise ist der von der
Maskenschicht bedeckte zweite Teilbereich der Oberfläche des Halbleiterkörpers während des Ätzens durch die Maskenschicht vor dem Ätzmedium geschützt. Bei einer Ausgestaltung des Verfahrens weist die Maskenschicht ein Metall, ein
Siliziumnitrid wie S 13N4 , S 1O2 (Siliziumdioxid) und/oder AI2O3 auf oder besteht aus mindestens einem dieser Materialien. Beispielsweise wird als Ätzmedium für den nasschemischen Ätzprozess Phosphorsäure (H3PO4) verwendet. In diesem Fall wird vorzugsweise S1O2 als Material für die Maskenschicht verwendet. Alternativ kann beispielsweise Kalilauge (KOH) für das nasschemische Ätzen des Halbleiterkörpers verwendet werden. In diesem Fall wird vorzugsweise Siliziumnitrid als Material für die Maskenschicht verwendet.
Beispielsweise bei einem Halbleiterkörper auf Basis des
Halbleitermaterials AlInGaN wird das Halbleitermaterial durch Phosphorsäure oder Kalilauge anistrop geätzt. Insbesondere werden verschiedene kristallographische Ebenen dieses
Halbleitermaterials unterschiedlich schnell geätzt.
Auf diese Weise werden bei dem Verfahren
Lichtauskoppelstrukturen ausgebildet, welche die Form von Pyramidenstümpfen oder Pyramiden haben. Die Pyramiden bzw. Pyramidenstümpfe haben zwölf Facetten, wenn Phosphorsäure als Ätzmedium verwendet wird. Wenn Kalilauge als Ätzmedium verwendet wird, haben sie sechs Facetten. Dabei ist die
Ätzrate der Facetten insbesondere geringer als in anderen Kristallrichtungen .
Mit Vorteil verringert sich bei aufgrund der Anisotropie des Ätzprozesses die Ätzrate, wenn eine Ätztiefe erreicht ist, bei der die Facetten zweier benachbarter Pyramiden
aufeinandertreffen, da sich die Ebenen dann aufgrund des anisotropen Ätzverhaltens gegenseitig behindern.
Zusätzlich ist dem Verfahren, insbesondere aufgrund der
Anisotropie des Ätzprozesses, die Unterätzung an den Rändern der Struktureinheiten mit Vorteil besonders gering. Auf diese Weise kann auch bei längerem Ätzen die Pyramidenhöhe durch die Anordnung der Hartmasken kontrolliert und reproduzierbar eingestellt werden. Die Ätztiefe, bei der die Facetten benachbarter Pyramiden aufeinandertreffen, kann auf diese Weise durch den Abstand der Struktureinheiten zueinander eingestellt werden. Sie hängt zusätzlich vom Neigungswinkel der Facetten ab, der von der kristallographischen Orientierung des Halbleitermaterials vorgegeben ist. Die kristallographische Orientierung kann beim epitaktischen Aufwachsen des Halbleiterkörpers
reproduzierbar eingestellt sein, zum Beispiel mittels der Gitterkonstante des Aufwachssubstrats.
Auf diese Weise ist die Größe, insbesondere die Höhe und/oder die lateralen Abmessung, der Lichtauskoppelstrukturen
reproduzierbar einstellbar und mittels der Maskenschicht gezielt eingestellt. Die Gefahr eines zu starken oder zu schwachen Ätzens, das mit dem Verlust von
Lichtextraktionseffizienz einhergehen kann, ist so besonders gering .
Bei einer Ausgestaltung des Verfahrens wird das Ätzen des Halbleiterkörpers so durchgeführt, dass die Ätztiefe beim Ätzen des Halbleiterkörpers ^ 200 nm ist. Beispielsweise ist sie ^ 600 nm, vorzugsweise ^ 1 μπι, insbesondere > 1,5 μπι, ist. Bei einer Weiterbildung ist die Ätztiefe ^ 4 μπι,
insbesondere ^ 3 μπι.
Die lateralen Abmessungen der Struktureinheiten können beispielsweise auf einen Wert zwischen 100 nm und 10 μπι eingestellt sein, wobei die Grenzen eingeschlossen sind. Die lateralen Abmessungen der Struktureinheiten sind vorzugsweise auf einen Wert von > 500 nm, insbesondere von > 600 nm und besonders bevorzugt von > 1,5 μπι, eingestellt. Bei einer Ausgestaltung sind laterale Abmessungen von ^ 4 μπι,
insbesondere von ^ 3 μπι, eingestellt.
Der laterale Abstand zwischen den Struktureinheiten ist beispielsweise auf einen Wert zwischen 100 nm und 10 μπι, vorzugsweise zwischen 500 nm und 5 μπι, eingestellt, wobei die Grenzen jeweils eingeschlossen sind.
Die laterale Abmessung ist insbesondere der Durchmesser des kleinsten Kreises, der in Draufsicht auf die von der
Maskenschicht bedeckte Oberfläche die Struktureinheit
vollständig umschließt. Bei einer kreisförmigen
Struktureinheit ist dies der Durchmesser der Struktureinheit selbst .
Der laterale Abstand der Struktureinheiten wird insbesondere zwischen den geometrischen Schwerpunkten der
Struktureinheiten gemessen. Der laterale Abstand kann dabei in verschiedenen Richtungen unterschiedlich sein, zum
Beispiel wenn die Struktureinheiten an den Gitterpunkten eines gedachten Rechteck-Gitters angeordnet sind, oder er kann für die in verschiedenen Richtungen benachbarten
Struktureinheiten gleich sein, etwa wenn die
Struktureinheiten an den Gitterpunkten eines gedachten regelmäßigen hexagonalen Gitters oder eines quadratischen Gitters angeordnet sind.
Bei einer Ausgestaltung des Verfahrens wird der
Halbleiterkörper zunächst auf einem Aufwachssubstrat
epitaktisch aufgewachsen. Nachfolgend wird das
Aufwachssubstrat vom Halbleiterkörper abgelöst.
Das Aufbringen der Maskenschicht erfolgt in diesem Fall vorzugsweise auf derjenigen Oberfläche des Halbleiterkörpers, die beim Ablösen des Aufwachssubstrats freigelegt wird. Die beim Ablösen des Aufwachssubstrats freigelegte Oberfläche des Halbleiterkörpers ist beispielsweise die von der aktiven Zone abgewandte Oberfläche der n-leitenden Schicht des
Halbleiterkörpers .
Es wird ein Licht emittierender Halbleiterkörper angegeben. Der Licht emittierende Halbleiterkörper hat eine zur Lichterzeugung vorgesehene aktive Zone. Beispielsweise ist die aktive Zone zwischen einer n-leitenden Schicht und einer p-leitenden Schicht angeordnet. Die aktive Zone enthält insbesondere einen pn-Übergang, eine Doppelheterostruktur oder eine Quantentopfstruktur zur Lichterzeugung.
Der Halbleiterkörper weist eine Vielzahl von
Lichtauskoppelstrukturen an einer seiner Oberflächen auf, insbesondere an einer seiner Hauptflächen wie der von der aktiven Zone abgewandten Oberfläche der n-leitenden Schicht oder der von der aktiven Zone abgewandten Oberfläche der p-leitenden Schicht. Die Lichtauskoppelstrukturen sind beispielsweise mit dem vorstehend beschriebenen Verfahren hergestellt .
Bei einer Ausgestaltung haben die Lichtauskoppelstrukturen jeweils die Form einer Pyramide oder eines Pyramidenstumpfs. Insbesondere haben die Lichtauskoppelstrukturen jeweils sechs Facetten oder jeweils zwölf Facetten. Die Facetten sind die Seitenflächen der Pyramide bzw. des Pyramidenstumpfs und verbinden die Grundfläche mit der Spitze der Pyramide oder der Deckfläche des Pyramidenstumpfs.
Alle Lichtauskoppelstrukturen der Vielzahl von
Lichtauskoppelstrukturen haben die gleiche Höhe und die gleiche Grundfläche. In einer Richtung benachbarte
Lichtauskoppelstrukturen der Vielzahl von
Lichtauskoppelstrukturen haben jeweils den gleichen lateralen Abstand voneinander, insbesondere gemessen zwischen den geometrischen Schwerpunkten der Lichtauskoppelstrukturen. Bei einer Weiterbildung ist der laterale Abstand jeweils einer Lichtauskoppelstruktur zu allen unmittelbar benachbarten Lichtauskoppelstrukturen gleich groß.
Die Höhe, der laterale Abstand und die Ausdehnung der
Grundfläche der Lichtauskoppelstrukturen sind beispielsweise jeweils ^ 200 nm. Vorzugsweise sind die Höhe, der laterale Abstand und die Ausdehnung der Grundfläche der
Lichtauskoppelstrukturen jeweils ^ 600 nm. Die Ausdehnung de Grundfläche der Lichtauskoppelstrukturen ist beispielsweise der Durchmesser des kleinsten Kreises, welcher die
Grundfläche vollständig enthält. Sind beispielsweise die Lichtauskoppelstrukturen pyramidenförmig oder
pyramidenstumpfförmig mit einer gleichseitig sechseckigen oder zwölfeckigen Grundfläche, ist die laterale Ausdehnung der Abstand zweier gegenüberliegender Ecken des
gleichseitigen Sechsecks oder Zwölfecks, welches die
Grundfläche bildet.
Bei einer Weiterbildung hat der Halbleiterkörper eine erste Vielzahl solcher Lichtauskoppelstrukturen und eine zweite Vielzahl solcher Lichtauskoppelstrukturen. Die Höhe und die Ausdehnung der Grundfläche der Lichtauskoppelstrukturen der ersten Vielzahl von Lichtauskoppelstrukturen sind
untereinander gleich. Die Höhe und die Ausdehnung der
Grundflächen der Lichtauskoppelstrukturen der zweiten
Vielzahl von Lichtauskoppelstrukturen sind ebenfalls
untereinander gleich, jedoch von der Höhe bzw. Ausdehnung de Lichtauskoppelstrukturen der ersten Vielzahl verschieden.
Bei einer Ausgestaltung sind die Lichtauskoppelstrukturen al Pyramiden- oder pyramidenstumpfförmige Vorsprünge der
Oberfläche des Halbleiterkörpers ausgebildet. Alternativ können die Lichtauskoppelstrukturen beispielsweise als
Pyramiden- oder pyramidenstumpfförmige Vertiefungen in der Oberfläche ausgebildet sein.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den im Folgenden im Zusammenhang mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen des Verfahrens und des Licht emittierenden Halbleiterkörpers.
Es zeigen: Figur 1A einen schematischen Querschnitt durch einen
Halbleiterkörper bei einem ersten Stadium eines Verfahrens zur Herstellung von
Lichtauskoppelstrukturen gemäß einem ersten
Ausführungsbeispiel ,
Figur 1B einen schematischen Querschnitt durch den
Halbleiterkörper bei einem zweiten Stadium des Verfahrens gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,
Figur 2A einen schematischen Querschnitt durch den
Halbleiterkörper bei einem dritten Stadium des Verfahrens gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,
Figur 2B einen schematischen Querschnitt durch den
Halbleiterkörper bei einem vierten Stadium des Verfahrens gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,
Figur 2C einen schematischen Querschnitt durch den
Halbleiterkörper bei einem fünften Stadium des Verfahrens gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,
Figur 3 einen schematischen Querschnitt durch den Licht emittierenden Halbleiterkörper bei einem sechsten Stadium des Verfahrens gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel ,
Figur 4 einen schematischen Querschnitt durch einen Licht emittierenden Halbleiterkörper bei einem Stadium eines Verfahrens zur Herstellung von
Lichtauskoppelstrukturen gemäß einem zweiten exemplarischen Ausführungsbeispiel ,
Figur 5 eine schematische Draufsicht auf einen Ausschnitt einer Oberfläche des Halbleiterkörpers gemäß der Figur 2C, Figur 6 eine schematische Draufsicht auf einen Teil einer Oberfläche eines Halbleiterkörpers bei einem
Stadium eines Verfahrens zur Herstellung von
Lichtauskoppelstrukturen gemäß einem dritten
Aus führungsbeispiel ,
Figur 7 eine schematische perspektivische Ansicht des mit dem Verfahren gemäß dem dritten exemplarischen Aus führungsbeispiel hergestellten
Halbleiterkörpers ,
Figur 8A eine schematische Draufsicht auf eine
Lichtauskoppelstruktur des Verfahrens gemäß
ersten exemplarischen Ausführungsbeispiel,
Figur 8B eine schematische Draufsicht auf eine
Lichtauskoppelstruktur gemäß einer Variante des Verfahrens gemäß dem ersten exemplarischen Ausführungsbeispiel, und
Figur 8C eine schematische Draufsicht auf eine
Lichtauskoppelstruktur gemäß dem Verfahren des dritten exemplarischen Ausführungsbeispiels.
Gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Figuren und die Größenverhältnisse der in den Figuren
dargestellten Elemente untereinander sind nicht als
maßstäblich zu betrachten. Vielmehr können einzelne Elemente zur besseren Darstellbarkeit und/oder zur besseren
Verständlichkeit übertrieben groß dargestellt sein.
Die Figuren 1A bis 3 zeigen ein Verfahren zur Herstellung von Lichtauskoppelstrukturen 115 in einem Halbleiterkörper 1 in schematischen Querschnitten durch den Halbleiterkörper 1 bei verschiedenen Stadien des Verfahrens. Figur 1A zeigt den Halbleiterkörper 1 in einem schematischen Querschnitt bei einem ersten Stadium des Verfahrens. In diesem Stadium ist der Halbleiterkörper 1 mit einem
Aufwachssubstrat 2 verbunden. Der Halbleiterkörper weist insbesondere eine Mehrzahl von Halbleiterschichten 110, 120, 130 auf, die epitaktisch auf dem Aufwachssubstrat 2
abgeschieden sind.
Bei den Halbleiterschichten 110, 120, 130 handelt es sich insbesondere um eine n-leitende Schicht 110, eine aktive Zone 120 und eine p-leitende Schicht 130. Die aktive Zone 120 ist zweckmäßigerweise zwischen der n-leitenden Schicht 110 und der p-leitenden Schicht 130 angeordnet. Sie weist
insbesondere einen pn-Übergang, eine Doppelheterostruktur oder eine Quantentopfstruktur auf, mittels der sie zur
Lichterzeugung geeignet ist.
Vorliegend ist die n-leitende Schicht 110 dem
Aufwachssubstrat 2 zugewandt. Mit anderen Worten werden auf dem Aufwachssubstrat 2 zunächst die n-leitende Schicht 110, nachfolgende die aktive Zone 120 und nachfolgend auf die aktive Zone 120 die p-leitende Schicht 130 des
Halbleiterkörpers 1 abgeschieden.
Der Halbleiterkörper 1 basiert beispielsweise auf dem
Halbleitermaterial AlInGaN. Das Aufwachssubstrat ist
beispielsweise ein Saphir- oder Silizium-Substrat.
Figur 1B zeigt einen schematischen Querschnitt durch den Halbleiterkörper 1 bei einem zweiten Stadium des Verfahrens, das dem ersten Stadium nachfolgt. Bei diesem Stadium ist das Aufwachssubstrat 2 von dem Halbleiterkörper 1 abgelöst und von diesem entfernt.
Die Entfernung des Aufwachssubstrats 2 erfolgt beispielsweise mittels eines Laser-Lift-Off-Verfahrens (LLO-Verfahren, Laser-Ablöse-Verfahren) . Ein Laser-Lift-Off-Verfahren ist insbesondere nützlich, wenn es sich bei dem Aufwachssubstrat 2 um ein Saphir-Substrat handelt. Laser-Lift-Off-Verfahren sind dem Fachmann im Prinzip bekannt und werden daher an dieser Stelle nicht näher erläutert.
Alternativ kann das Aufwachssubstrat 2 mittels eines
nasschemischen Verfahrens von dem Halbleiterkörper 1 entfernt sein. Ein nasschemisches Verfahren zur Substratentfernung ist beispielsweise bei einem Silizium-Substrat gut geeignet.
Nasschemische Verfahren zur Substratentfernung sind dem
Fachmann ebenfalls prinzipiell bekannt und werden daher an dieser Stelle nicht näher erläutert.
Nach dem Ablösen des Aufwachssubstrats 2 ist eine Hauptfläche 111 des Halbleiterkörpers 1 freigelegt. Insbesondere ist die Hauptfläche 111 eine Oberfläche der n-leitenden Schicht 110. Die Oberfläche 111 ist insbesondere an der der aktiven Zone 120 gegenüberliegenden Seite der n-leitenden Schicht
angeordnet .
Der Halbleiterkörper 1 kann in diesem oder in anderen
Ausführungsbeispielen dazu vorgesehen sein, von der aktiven Zone 120 erzeugtes Licht von der Hauptfläche 111 zu
emittieren. In diesem Fall stellt die Oberfläche 111 eine Lichtauskoppelfläche des Halbleiterkörpers 1 dar.
Figur 2A zeigt einen schematischen Querschnitt durch den Halbleiterkörper 1 bei einem dritten Stadium des Verfahrens gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel, welches dem zweiten Stadium nachfolgt. Bei diesem dritten Stadium wird auf die freigelegte Oberfläche 111 der n-leitenden Schicht 110 eine Maskenschicht 3 aufgebracht.
Vorliegend wird die Maskenschicht 3 zunächst vollflächig auf die Oberfläche 111 des Halbleiterkörpers 1 aufgebracht. Die Maskenschicht weist beispielsweise ein Siliziumnitrid wie Si3N4 auf oder besteht daraus. Figur 2B zeigt einen schematischen Querschnitt durch den Halbleiterkörper 1 bei einem nachfolgenden vierten Stadium des Verfahrens gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel. Bei dem vierten Stadium wird die vollflächig aufgebrachte
Maskenschicht 3 strukturiert.
Hierzu wird die Maskenschicht 3 stellenweise mit einer
Schutzschicht 4 versehen. Bei der Schutzschicht 4 handelt es sich beispielsweise um eine Fotolackschicht. Die
Fotolackschicht 4 wird beispielsweise zunächst vollflächig auf die von dem Halbleiterkörper 1 abgewandte Seite der
Maskenschicht 3 aufgetragen und dann mittels Belichtung durch eine Maske und Entwickeln stellenweise wieder von der
Maskenschicht 3 entfernt. Auf diese Weise bleiben einzelne Teilbereiche 30 der Maskenschicht von der Schutzschicht 4 bedeckt und andere Teilbereiche der Maskenschicht 3 werden wieder freigelegt.
Nachfolgend werden die freigelegten Teilbereiche 35 der
Maskenschicht 3 entfernt. Die Entfernung erfolgt
beispielsweise mittels reaktiven Ionenätzens (RIE, reactive ion etching) , in Figur 2B angedeutet durch die Pfeile 5. Die Ionen treffen auf die freigelegten Teilbereiche 35 der
Maskenschicht 3 und entfernen diese, während die
Schutzschicht 4 die von ihr bedeckten Teilbereiche 30 vor den Ionen schützt, sodass diese Teilbereiche nicht entfernt werden. Auf diese Weise wird ein erster Teilbereich 1111 der Oberfläche 111 ausgebildet, der von der Maskenschicht 3 unbedeckt ist, während ein zweiter Teilbereich 1112 der
Oberfläche 111 von den Teilbereichen 30 der Maskenschicht 3 bedeckt bleibt.
Figur 2C zeigt einen schematischen Querschnitt durch den Halbleiterkörper bei einem nachfolgenden, fünften Stadium des Verfahrens gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel. Bei dem fünften Verfahrensstadium ist die Schutzschicht 4 wieder von dem Halbleiterkörper entfernt. Es verbleiben die während des reaktiven Ionenätzens von der Schützschicht 4 überdeckten Teilbereiche 30 der Maskenschicht 3 auf der Oberfläche 111 des Halbleiterkörpers 1. Diese Teilbereiche bilden einzelne Struktureinheiten 30 der Maskenschicht 3.
Die Höhe hM der Struktureinheiten 30 beträgt beispielsweise 300 bis 400 nm. Dies entspricht insbesondere der Dicke der im dritten Stadium vollflächig aufgebrachten Maskenschicht 3 (siehe Figur 2A) .
Die Position der Struktureinheiten 30 auf der Oberfläche 111 des Halbleiterkörpers 1 sowie die laterale Ausdehnung d der Struktureinheiten 30 und der Abstand a benachbarter
Struktureinheiten 30 ist mittels der fototechnisch
strukturierten Schutzschicht 4 gezielt eingestellt. Die
Positionen und Größen a, d der Struktureinheiten 30 sind dabei mit der Belichtungsmaske der Fototechnik reproduzierbar einstellbar. Auf diese Weise ist eine Maskenschicht 3
erzielt, deren Struktureinheiten 30 in regelmäßigen Abständen angeordnet sind.
Die laterale Ausdehnung d der Struktureinheiten 30 ist beispielsweise auf einen Wert zwischen 100 nm und 10 μπι, insbesondere zwischen 300 nm und 3 μπι eingestellt, wobei die Grenzen jeweils eingeschlossen sind. Der laterale Abstand a benachbarter Struktureinheiten ist beispielsweise auf Werte zwischen 100 nm und 10 μπι, insbesondere zwischen 600 nm und 5 μπι eingestellt.
Figur 5 zeigt eine schematische Draufsicht auf die Oberfläche 111 des Halbleiterkörpers 1 bei dem fünften
Verfahrensstadium, das in Figur 2C im Querschnitt dargestellt ist. In dieser Figur ist die regelmäßige Anordnung der
Struktureinheiten 30 zu sehen. Vorliegend sind die Struktureinheiten 30 an den Gitterpunkten eines gedachten hexagonalen Gitters auf der Oberfläche 111 angeordnet. Die einzelnen Struktureinheiten 30 stellen eine Mehrzahl voneinander lateral beabstandeter Inseln 30 dar, welche die Oberfläche 111 stellenweise bedecken. Die Konturen der Inseln 30 legen den von der Maskenschicht 3 unbedeckten Teilbereich 1111 der Oberfläche 111 fest.
Nachfolgend wird der Halbleiterkörper 1 mit einem
nasschemischen Verfahren durch die Maskenschicht 1 hindurch geätzt. Dabei wird die n-leitende Schicht 110 ausgehend von dem ersten Teilbereich 1111 der Oberfläche 111, der von den Struktureinheiten 30 unbedeckt ist, teilweise abgetragen. Der Ätzprozess wird zweckmäßigerweise gestoppt, bevor die aktive Zone 120 freigelegt wird. Beispielsweise beträgt die Ätztiefe hL 1 μπι oder mehr. Vorzugsweise ist die Ätztiefe hL < 4 μπι.
Der Ätzprozess wird beispielsweise mit Kalilauge (KOH) durchgeführt. Die Kalilauge ätzt das
AlInGaN-Halbleitermaterial der n-leitenden Schicht 110 anisotrop, wobei bestimmte kristallographische Ebenen
schneller geätzt werden als andere. Auf diese Weise werden bei dem Ätzverfahren Lichtauskoppelstrukturen 115
ausgebildet, welche die Form von Pyramidenstümpfen mit einer sechseckigen Grundfläche haben.
Figur 3 zeigt einen schematischen Querschnitt durch den
Halbleiterkörper 1 bei einem sechsten Stadium des Verfahrens gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel. In diesem Stadium ist der nasschemische Ätzprozess abgeschlossen.
Figur 8A zeigt eine der Lichtauskoppelstrukturen 115 in einer schematischen Draufsicht.
Die jeweiligen Struktureinheiten 30 der Maskenschicht 3 können im fertig gestellten Halbleiterkörper auf den
Deckflächen der Pyramidenstümpfe 115 verbleiben, wie in Figur 3 dargestellt, oder von den Lichtauskoppelstrukturen 115 entfernt werden. Die Pyramidenstümpfe 115 haben jeweils sechs geneigte Facetten 1151, sodass sich die Pyramide in Richtung von der aktiven Zone 120 weg verjüngt. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel berühren sich die
Grundflächen der Pyramidenstümpfe 115.
Die Höhe der Lichtauskoppelstrukturen 115 entspricht
insbesondere der Ätztiefe hL und beträgt zum Beispiel
zwischen 200 nm und 5 μπι, vorzugsweise zwischen 500 nm und 5 μπι, besonders bevorzugt zwischen 1 μπι und 4 μπι, wobei die Grenzen jeweils eingeschlossen sind. Die laterale Ausdehnung L der Lichtauskoppelstrukturen 115 ist beispielsweise
ebenfalls ^ 500 nm, vorzugsweise ^ 600 nm und besonders bevorzugt ^ 1 μπι. Die laterale Ausdehnung L ist insbesondere < 5 μπι, vorzugsweise ^ 4 μπι und beispielsweise ^ 3 μπι.
Versuche der Erfinder haben ergeben, dass eine besonders effiziente Lichtextraktion aus dem Halbleiterkörper 1 erzielt wird, wenn für die Höhe hL und die laterale Ausdehnung L der Lichtauskoppelstrukturen 115 jeweils ein Wert von > 1,5 μπι eingestellt wird.
Der Abstand a zwischen benachbarten Lichtauskoppelstrukturen 115, insbesondere gemessen zwischen den jeweiligen
geometrischen Schwerpunkten der Lichtauskoppelstrukturen 115, entspricht dem Abstand a der Struktureinheiten 30 der
Maskenschicht 3 und beträgt beispielsweise zwischen 600 nm und 4 μπι, wobei die Grenzen eingeschlossen sind.
Figur 8B zeigt eine Lichtauskoppelstruktur 115 gemäß einer Variante des ersten Ausführungsbeispiels in einer
schematischen Draufsicht.
Bei dieser Variante des ersten Ausführungsbeispiels des
Verfahrens zur Herstellung von Lichtauskoppelstrukturen 115 in einem Halbleiterkörper 1 ist zum Ätzen des Halbleiterkörpers 1 Phosphorsäure (H3PO4) anstelle von
Kalilauge (KOH) verwendet worden. Bei dieser Variante besteht die Maskenschicht 3 beispielsweise aus Siliziumdioxid (S1O2) ·
Auf diese Weise sind bei der vorliegenden Variante des
Verfahrens Pyramidenstümpfe als Lichtauskoppelstrukturen 115 ausgebildet, welche anstelle von sechs Facetten 1151 zwölf Facetten 1151 aufweisen. Der Pyramidenstumpf hat in diesem Fall eine zwölfeckige Grundfläche.
Figur 4 zeigt ein Stadium eines Verfahrens zur Herstellung von Lichtauskoppelstrukturen 115 in einem Halbleiterkörper 1 gemäß einem zweiten exemplarischen Ausführungsbeispiel in einem schematischen Querschnitt durch den Halbleiterkörper 1.
Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel wird die Maskenschicht 3 nicht vollflächig aufgebracht und anschließend strukturiert, wie im Zusammenhang mit den Figuren 2A, 2B und 2C erläutert. Stattdessen werden die Struktureinheiten 30 der Maskenschicht 3 zugleich mit dem Aufbringen des Materials der Maskenschicht 3 auf den Halbleiterkörper 1 hergestellt.
Vorliegend erfolgt das Herstellen der Maskenschicht 3, indem das Material der Maskenschicht 3 durch eine zweite Maske 6 hindurch auf den Halbleiterkörper aufgebracht wird. Die
Öffnungen 60 der zweiten Maske 6 geben dabei die Konturen der Struktureinheiten 30 vor. Beispielsweise wird durch die zweite Maske 6 hindurch ein Metall mittels eines
AufdampfVerfahrens , in Figur 4 angedeutet durch die Pfeile 7, auf die Oberfläche 111 des Halbleiterkörpers 1 aufgebracht.
Die Bereitstellung des Halbleiterkörpers 1 und das
nasschemische Ätzen der Lichtauskoppelstrukturen 115 kann bei dem zweiten Ausführungsbeispiel des Verfahrens genauso erfolgen wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel. Figur 6 zeigt eine schematische Draufsicht auf einen Teil der Oberfläche 111 eines Halbleiterkörpers 1 bei einem Stadium eines Verfahrens zur Herstellung von Lichtauskoppelstrukturen gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel.
Bei diesem dritten Ausführungsbeispiel ist, wie beim ersten Ausführungsbeispiel, die Maskenschicht 3 zunächst vollflächig auf die Oberfläche 111 des Halbleiterkörpers 1 aufgebracht. Anstelle von Inseln sind in die Maskenschicht 3 jedoch
Öffnungen 30 als Struktureinheiten eingebracht.
Auf diese Weise bedeckt das Material der Maskenschicht 3 im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel einen
zusammenhängenden Teilbereich der Oberfläche 111, welcher die Struktureinheiten 30 umschließt. Im Bereich der von den
Öffnungen gebildeten Struktureinheiten 30 ist die Oberfläche 111 dagegen von der Maskenschicht 3 unbedeckt.
Mittels der Öffnungen 30 werden beim nachfolgenden Ätzen der Oberfläche 111 pyramidenförmige Vertiefungen als
Lichtauskoppelstrukturen 115 hergestellt.
Figur 7 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht eines mit dem Verfahren gemäß dem dritten exemplarischen
Ausführungsbeispiel hergestellten Halbleiterkörpers 1.
Der Halbleiterkörper 1 weist eine Mehrzahl von
Lichtauskoppelstrukturen 115 auf, die als pyramidenförmige Vertiefungen in der von der aktiven Zone 120 abgewandten Oberfläche 111 der n-leitenden Schicht 110 ausgebildet sind. Die Lichtauskoppelstrukturen 115 stellen Öffnungen in der Oberfläche 111 der n-leitenden Schicht 110 dar, die sich in Richtung von der aktiven Zone 120 weg erweitern.
Figur 8C zeigt eine schematische Draufsicht auf eine dieser Lichtauskoppelstrukturen 115. Die von der Lichtauskoppelstruktur 115 gebildete Pyramide hat vorliegende eine sechseckige Grundfläche und weist sechs Facetten 1151 auf. Alternativ kann, wie im Zusammenhang mit Figur 8B beschrieben, auch eine Pyramidenform mit einer zwölfeckigen Grundfläche und zwölf Facetten 1151 ausgebildet sein .
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausgestaltungen und Ausführungsbeispiele auf diese
beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal und jede Kombination von Merkmalen. Insbesondere umfasst sie jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen und jede Kombination von Merkmalen in den Ausgestaltungen und Aus führungsbeispielen .

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung von Lichtauskoppelstrukturen (115) in einem Halbleiterkörper (1), mit den Schritten:
- Bereitstellen eines Halbleiterkörpers (1), der eine zur Lichterzeugung geeignete aktive Zone (120) enthält;
- Herstellen einer Maskenschicht (3) auf einer
Oberfläche (111) des Halbleiterkörpers (1), derart, dass die Maskenschicht (3) eine Mehrzahl von
Struktureinheiten (30) aufweist, deren Position und Größe reproduzierbar einstellbar und gezielt eingestellt ist, und dass die Konturen der Struktureinheiten (30) einen von der Maskenschicht (3) unbedeckten ersten
Teilbereich (1111) der Oberfläche (111) festlegen;
- Ätzen des Halbleiterkörpers (1) an dem von der
Maskenschicht (3) unbedeckten Teilbereich (1111) der Oberfläche (111) zur Ausbildung der
Lichtauskoppelstrukturen (115) .
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Struktureinheiten (115) regelmäßig, insbesondere periodisch, angeordnet sind .
3. Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei die Struktureinheiten (115) an den Gitterpunkten eines gedachten hexagonalen Gitters angeordnet sind.
4. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Maskenschicht (3) eine Mehrzahl von einander lateral beabstandeter Inseln als Struktureinheiten (30) aufweist, welche einen Teilbereich (1112) der
Oberfläche (111) des Halbleiterkörpers (1) bedecken.
5. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Maskenschicht (3) eine Mehrzahl von einander lateral beabstandeter Öffnungen als Struktureinheiten (115) aufweist, wobei die Oberfläche (111) im Bereich der Öffnungen (30) von der Maskenschicht (3) unbedeckt ist und die Maskenschicht (3) einen zusammenhängenden Teilbereich (1112) der Oberfläche (111) bedeckt, der die Öffnungen (30) umschließt.
6. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, mit den Schritten:
- vollflächiges Aufbringen der Maskenschicht (3);
- stellenweises Entfernen (5) der Maskenschicht (3) zur Ausbildung der Struktureinheiten (30) .
7. Verfahren gemäß Anspruch 6, wobei das stellenweise
Entfernen der Maskenschicht (3) mittels eines
trockenchemischen Ätzprozesses (5) wie reaktivem
Ionenätzen erfolgt und das Ätzen des Halbleiterkörpers (1) mittels eines nasschemischen Ätzprozesses erfolgt.
8. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei der Halbleiterkörper (1) AlInGaN enthält und
Phosphorsäure oder Kalilauge für das Ätzen des
Halbleiterkörpers verwendet wird.
9. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Struktureinheiten (30) laterale Abmessungen (d) von > 500 nm aufweisen und eine Ätztiefe (hL) beim
Ätzen des Halbleiterkörpers ^ 1 μπι ist.
10. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, mit den Schritten:
- epitaktisches Aufwachsen des Halbleiterkörpers (1) auf einem Aufwachssubstrat (2);
- Ablösen des Aufwachssubstrats (2) vom
Halbleiterkörper (1), wobei das Aufbringen der
Maskenschicht (3) auf derjenigen Oberfläche (111) des Halbleiterkörpers (1) erfolgt, die beim Ablösen des Aufwachssubstrats (2) freigelegt wird.
11. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Maskenschicht (3) eines der folgenden
Materialien aufweist: ein Metall, ein Siliziumnitrid, Si02, A1203.
12. Licht emittierender Halbleiterkörper (1) mit einer zur Lichterzeugung vorgesehenen aktiven Zone (120) und einer Vielzahl von Lichtauskoppelstrukturen (115) an einer Oberfläche (111), wobei
- alle Lichtauskoppelstrukturen die gleiche Höhe (hL) und die gleiche Grundfläche haben;
- in einer Richtung benachbarte Lichtauskoppelstrukturen jeweils den gleichen lateralen Abstand (a) voneinander haben; und
- die Höhe (hL) , der laterale Abstand (a) und die
Ausdehnung (d) der Grundfläche jeweils ^ 600 nm sind.
13. Licht emittierender Halbleiterkörper (1) gemäß
Anspruch 12, wobei
- alle Lichtauskoppelstrukturen (115) die Form einer Pyramide oder eines Pyramidenstumpfs haben;
- alle Lichtauskoppelstrukturen (115) jeweils sechs Facetten (1151) haben oder alle Lichtauskoppelstrukturen (115) jeweils zwölf Facetten (1151) haben.
14. Licht emittierender Halbleiterkörper (1) gemäß
Anspruch 13, wobei die Lichtauskoppelstrukturen (115) als pyramiden- oder pyramidenstumpfförmige Vorsprünge der Oberfläche (111) ausgebildet sind.
15. Licht emittierender Halbleiterkörper (1) gemäß
Anspruch 13, wobei die Lichtauskoppelstrukturen (115) als pyramiden- oder pyramidenstumpfförmige Vertiefungen in der Oberfläche (111) ausgebildet sind.
PCT/EP2012/052314 2011-02-28 2012-02-10 Verfahren zur herstellung von lichtauskoppelstrukturen in einem halbleiterkörper und licht emittierender halbleiterkörper WO2012116887A1 (de)

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DE201110012608 DE102011012608A1 (de) 2011-02-28 2011-02-28 Verfahren zur Herstellung von Lichtauskoppelstrukturen in einem Halbleiterkörper und Licht emittierender Halbleiterkörper
DE102011012608.2 2011-02-28

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